强脉冲光烧结制备铜/基底复合结构探索及其高导高粘附力在柔性印刷电子中的应用研究

Cu nano-inks are considered to be a viable alternative in terms of their inexpensive chemical synthesis pathway and, in principle, low resistivity comparable to that of silver nano-ink. On the basis of previous work, this project tries to establish a theoretical model to solve two problems in the flexible printed circuits made of Cu nano-ink (CNFPC). Firstly, higher energy is needed in the Intense Pulse Light (IPL) treatment and expensive PI and surface-modified PET is the only option as the flexible substrate. Secondly, the adhesion of copper films to the substrate is bad. The relationship between the oxide thickness of copper particles and IPL energy will be discussed in this project. The effect of copper/substrate composite structure formatted in the IPL treatment on the properties of copper-based circuits (adhesion, stability, mechanical properties) will be also clarified. By utilizing copper particles with very thin oxide layer and taking full advantage of low Tg of cheap polymer substrate, the sintering process and formation of copper/substrate composite structure accomplishes simultaneously with lower IPL energy. And finally, CNFPC with high conductivity, strong adhesion to substrates is achieved without addition of adhesive promoter. To date, the theoretical model has not been reported in literature, and the research on the CNFPC has just start. Therefore, this project has an important research value, and will also boost the printing technology for copper nano-inks.

铜导电墨水由于价格低廉，被广大学者认为是银的较优替代材料之一。本项目在前期工作的基础上，针对目前铜墨水基柔性印刷电路在强脉冲光（IPL）烧结过程中需要能量较高导致基底选择范围受限，以及铜电路粘附力较差的问题，试图建立一个无增粘剂的高粘附力电路制备模型，研究铜表面氧化层厚度与IPL烧结能量之间的关系，以及低玻璃化转变温度（Tg）的柔性基底在IPL烧结中与铜膜形成的微结构对电路粘附力的影响。本项目通过采用表面氧化层较薄的铜，充分利用廉价柔性基底低Tg的特性，使用低能量的IPL烧结技术同时完成烧结过程和铜/基底复合结构的制备。最终在无增粘剂情况下，得到高粘附力高导的铜墨水基柔性印刷电路。目前，该理论模型尚未有文献报道，对铜墨水基柔性印刷电路的研究也刚刚起步，因此该项目具有重要的理论研究价值和应用价值。

在传统行业中，RFID线路、PCB以及铝基板的制作过程中，均采用的蚀刻工艺。此种制程方式对于图形面积比较少的产品而言，制作成本很高，并且会产生大量的废液。传统的印刷工艺大多采用以银为主导电填料的浆料，成本太高。铜是仅次于银，电导率排名第二导电金属。因此采用印刷铜浆的方式制备，可以在保证性能的情况下，大幅度地降低成本、减少环境压力。本项目首先采用了对环境污染很小的原料，通过化学合成法制备了不同粒径的铜颗粒，并且通过制备铜浆表征了铜粉的性能，找出了制备高性能铜粉的关键因素。按照以上经验，通过对商业化物理法制备的铜粉进行有目的地表面改性，制备出电阻率很小的铜浆。并且解决了铜粉和铜浆放量的问题，为之后的商业化打下基础。在此基础上，打破传统制备浆料的思维，建立了树脂填充模型，制备了高稳定性、耐弯折、电阻低并且兼具可焊性的铜线路。采用工业化的生产方式，卷对卷地印刷铜浆，制备出RFID线路，并且成功地采用氙灯连续烧结RFID铜线路，得到性能优异的RFID标签。在大面积导电线路的制备方面，采用对铜粉进行表面处理，得到氯化亚铜/铜的核壳结构。采用此铜粉进行铜浆配制，成功地避免了铜膜在二次闪灯中的开裂的问题，并以此为基础，初步完成了铜浆在按键电路、PCB以及铝基板中的应用探索。